基于无线传感器网络的巷道支护智能监测系统研究

李学哲，罗建国，宫新勇，刘少海

(华北科技学院机电应用技术研究所，北京东燕郊 101601)

0 引言

巷道支护监测技术是研究巷道围岩变形、检验支护效果、修改支护参数、判断巷道稳定性、保证安全生产，提高经济效益的重要手段。监测技术研究的主要内容有，巷道表面位移、围岩深部位移、顶板离层、锚杆受力等。监测的目的是，通过对监测获得的信息进行科学分析，为完善巷道设计提供依据;通过动态观测巷道围岩活动情况，发现异常及时采取有效措施，为矿井安全生产提供保障［1－2］。

目前，煤矿现场已经具备了一些巷道支护监测的技术手段和装备，各种电子式监测仪表和基于有线网络的自动化监测系统相继应用于煤矿现场。这些监测仪表和系统虽然在一定程度上解决了煤矿现场巷道支护监测的问题，但普遍存在价格昂贵、测量精度低、抗干扰能力差、安装和维护不方便、灵活性和扩展性差等不足，限制着其在煤矿领域的进一步发展。近年来，ZigBee无线网络技术迅速发展起来，并在煤矿领域得到了广泛应用［3－4］。针对 ZigBee技术的特点和煤矿巷道支护监测技术的现状，本文提出了一种基于ZigBee无线传感器网络的巷道支护监测系统。该系统利用智能传感器节点实现巷道表面位移、离层、压力等状态参数的精确测量，以无线通信的方式将测量结果传送给分站，并由分站上传地面监控计算机，监控计算机可以直接接收结果并进行数据存储、计算和分析，实现井下巷道支护情况的实时、可靠监测。

1 系统总体设计

本文设计的基于ZigBee无线传感器网络的巷道支护监测系统主要由地面监控计算机系统和井下无线传感器网络两部分组成。系统总体结构如图1所示。监控计算机负责信号的分析、处理、汇总和统计，监测软件采用VC6.0高级语言设计。无线传感器网络由分布在巷道中的多个智能ZigBee传感器节点和汇聚节点组成，网络的拓扑结构采用树状网。传感器节点完成巷道表面位移、离层和锚杆受力等情况的检测，并将测量数据以无线通信方式汇聚到汇聚节点;汇聚节点通过RS485总线的方式和光纤环网相连接。光纤环网将无线传感器网络采集到的监控信息传送到地面监控计算机，监控计算机根据接收到的数据信息，对井下巷道支护状态进行实时监控，并对可能发生的安全事故做出提前预警。

图1 基于ZigBee的巷道支护监测系统结构框图

整个系统由若干个测站组成，每一个测站包括一个汇聚节点和六个智能传感器节点。测站的数量和布置位置可以根据客户的需要调整。传感器节点A、B负责巷道表面位移的测量，分别用于监测顶板下沉量和两帮移近量。巷道表面位移的测量采用先进的激光测距模块实现，该模块将位移变化转换为0～20mA电流信号，具有检测精度高、性能稳定可靠、结构紧凑、防水防尘、使用方便等优点;传感器节点C负责顶板离层的检测。利用两个精密拉绳式位移测量模块来检测深部和浅部基点的位移变化量。传感器根据采样的电压值，分析计算深部和浅部位移，并得到顶板离层量;传感器节点D、E、F负责锚索受力状态的监测。锚索受力状态的检测利用精密扭矩测量模块配合相应的放大调整电路实现。传感器根据采样的电压值，分析计算锚索受力大小。该模块具有检测精度高、性能稳定可靠、结构紧凑、防水防尘、使用方便等优点［5］。

2 系统硬件设计

2.1 传感器节点硬件设计

图2 ZigBee智能传感器节点电路结构框图

在整个监测系统中，传感器节点负责巷道支护状态参数的感知和采集，并通过Zigbee无线通信网络与汇聚节点交换信息。本文设计的智能传感器节点主要由供电电路、CPU电路、ZigBee无线通信电路、液晶显示电路、按键电路、信号检测电路和传感器测量模块等组成，其结构如图2所示。供电电路负责为整个传感器网络节点的运行提供能量;按键、液晶显示、EEPROM存储等电路，用于完成传感器标定和测量参数显示等功能;单片机电路负责控制整个传感器节点的操作、存储和处理节点自身采集的数据以及汇聚节点发送来的指令;ZigBee无线通信电路负责与其他传感器网络节点进行无线通信、交换控制信息和收发采集数据。系统中，Zigbee无线通信电路采用无线收发器 CC2420设计。单片机与无线收发器CC2420的接口电路原理如图3所示。CC2420实现物理层的数据收发和底层控制，通过 SFD、FIFO、FIFOP和CCA 4个引脚指示收发数据的状态，单片机通过SPI接口与CC2420交换数据和发送命令。单片机作为SPI主控器件实现ZigBee协议层，由CC2420作为从动器件实现节点之间信号的传输。

图3 CC2420接口电路原理图

信号检测电路和传感器测量模块负责区域内信息的采集和数据转换。系统监测的状态参数概括起来有巷道表面位移、顶板离层和锚索受力大小等。其中，表面位移的检测通过Y1TA100激光测距模块配合相应的放大调整电路实现。该模块测量范围0～10 m，输出0～20 mA的电流信号。通过电路实现0～20 mA电流向0～5 V电压的转换，单片机根据测得的电压值计算位移量。顶板离层的检测通过拉绳式位移测量模块配合相应的放大调整电路实现。传感器根据采样的电压值，分析计算深部和浅部位移，并得到顶板离层量。锚杆受力状态的检测利用精密扭矩测量模块配合相应的放大调整电路实现。传感器根据采样的电压值，分析计算锚杆受力大小。

2.2 汇聚节点硬件设计

汇聚节点主要负责网络管理、地址分配、发送控制命令、接收处理各传感器节点的数据以及与上位机通信等功能。本文设计的Zigbee汇聚节点主要由供电电路、CPU电路、ZigBee无线通信电路、液晶显示电路、按键电路及总线接口电路等组成，其结构如图4所示。由图可以看出，汇聚节点的硬件结构与传感器节点的硬件结构类似，不同之处在于，它没有监测功能，但增加了总线接口电路，用于实现无线传感器网络与监控中心的信息传输与交换。本文设计的总线接口电路采用RS485通信方式，接口电路原理如图5所示。利用RS485总线接口，汇聚节点将各传感器节点采集的表面位移、顶板离层、锚索受力等各种监控信息上传地面监控计算机，实现井下巷道支护情况的实时、可靠监测。

图4 ZigBee汇聚节点电路结构框图

图5 RS485总线接口电路原理图

3 系统软件设计

基于ZigBee无线传感器网络的巷道支护监测系统软件采用Keil C51设计，软件采用模块化的程序设计方法，主要包括主程序模块、按键输入模块、液晶显示模块、数据采集模块、ZigBee无线通信模块和RS485通信模块等。其中，主程序模块负责协调和控制其他子功能模块，为用户提供良好的人机界面，处理采集到的信息，对紧急情况做出预警和保护等。数据采集模块的主要作用是采集现场的表面位移、顶板离层、锚索受力等信息。ZigBee无线通信模块的功能是完成网络中各节点之间信息传输与交互。RS485通信模块是无线传感器网络与监控计算机信息交换的接口，主要完成Zigbee汇聚节点与上位机的通信。

ZigBee通信软件是本软件设计的重点，主要包括传感器节点软件设计和汇聚节点软件设计两部分。软件流程如图6所示。具体工作过程如下:汇聚节点主动发送组网广播，并侦听传感器节点的连接请求;传感器节点响应请求，向汇聚节点返回确认信息，完成组网;组网结束后，传感器节点处于休眠模式，汇聚节点处于工作模式，侦听传感器节点连接请求命令;当有数据收发时，传感器节点主动请求连接汇聚节点，并上报检测到的状态信息。

4 实验与分析

针对设计的巷道支护监测系统进行了Zigbee无线通信可靠性分析实验，主要分析了接收信号强度随距离的衰减特性以及收包率与节点间距的关系［6］。实验中接收信号强度由专用的强度检测模块来完成，收包率测试时节点发送数据500次。实验数据如表1所示。实验结果表明，RSSI值和收包率随着节点间距的增大逐渐减小，间距为10m时，Zigbee通信可靠性最好。

表1 ZigBee通信可靠性实验数据表

5 结论

本文提出的基于Zigbee无线传感器网络的巷道支护智能监测系统，集计算机测控技术、现代传感器技术、无线网络技术于一体，系统充分利用了ZigBee技术的优势，具有高精度、高效率、低成本、灵活方便等特点。本文的创新点在于，充分结合硬件、软件的优势，设计并实现了一种具有无线通信功能的高精度、自动化巷道支护监测系统，从而为保障煤矿安全生产提供了一种新的技术手段。

［1］ 何满潮，袁和生，靖洪文，等.中国煤矿锚杆支护理论与实践［M］.北京:科学出版社，2004.

［2］ 张光建.回采巷道锚杆支护状态观测研究［J］.煤炭工程，2002，7:5 －7.

［3］ 孙茂一，等.ZigBee技术在无线传感器网络中的应用［J］.现代电子技术，2008，31(2):192 －194.

［4］ 李峥，等.ZigBee无线传感器网络在矿井巷道监测系统中的应用［J］.仪表技术与传感器，2010，8:57－60.

［5］ 陈勇，等.基于物联网的矿井氧气浓度监测系统设计［J］.电子设计工程，2012，10:65 －66.

［6］ 文金朝.2.4GHz无线传感器节点井下传输性能试验［J］.煤炭科学技术，2008，11:83 －88.